DE602004010037T2

DE602004010037T2 - Mikrokanalreihenkomponente, Mikrokanalreihen zur Rückgewinnung von Biomolekülen und Verfahren zur Rückgewinnung von Biomolekülen

Info

Publication number: DE602004010037T2
Application number: DE602004010037T
Authority: DE
Inventors: Osamu Shinagawa-ku Kogi
Original assignee: Hitachi Software Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Software Engineering Co Ltd
Priority date: 2003-11-27
Filing date: 2004-09-15
Publication date: 2008-09-25
Anticipated expiration: 2024-09-16
Also published as: EP1535666A1; EP1535666B1; JP4372521B2; US20070264726A1; JP2005151898A; US20050118730A1; DE602004010037D1

Description

ERFINDUNGSHINTERGRUND
Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wiedergewinnung von Biomolekülen unter Verwendung eines Mikrokanal-Arrays nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Ein Verfahren dieser Art wird in US 6,576,478 B1 beschrieben.
Stand der Technik
Als ein wirksames Verfahren zur Untersuchung des Expressionszustands von Genen wurde begonnen, DNA-Probenarrays oder DNA-Chips zu verwenden, bei denen viele DNA-Proben, die nach ihrem Typ aufgeteilt sind, auf der Oberfläche eines festen Körpers befestigt sind. Die JP-Patentanmeldung (Kokai) Nr. 11-243997 A (1999) offenbart eine Erfindung eines Probenarrays. Bei dem Probenarray werden Partikel (Probenpartikel), auf denen verschiedene Arten von Proben befestigt sind, in einer bestimmten Abfolge angeordnet. Insbesondere werden eine Mehrzahl von Röhrchen oder Gräben, die mit verschiedenen Arten von Probenpartikeln gefüllt sind, parallel zueinander angeordnet, und daraufhin wird, indem jedes einzelne Partikel eines Röhrchens oder Grabens in ein anderes Röhrchen oder einen anderen Graben injiziert wird, ein Probenarray vorbereitet, bei dem verschiedene Arten von Probenpartikeln ständig in einer bestimmten Reihenfolge angeordnet sind. Indem das Probenarray verwendet wird, werden verschiedene Arten von Proben mit Partikeln mit unterschiedlichen Partikelgrößen verbunden, und verschiedene Arten von fluoreszenz-markierter DNA werden gleichzeitig gemessen.
WO 00/04390 offenbart Verfahren zur Wiedergewinnung von Biomolekülen (z. B. Antikörpern) unter Verwendung von Standard-Reinigungsverfahren, die folgendes umfassen: Fokussieren („panning") auf ein immobilisiertes Antigen; Fokussieren auf ein immobilisiertes Antigen mittels spezifischer Elution; eine Verwendung eines bio-tinylierten Antigens und darauffolgende Auswahl auf einem Streptavidin-Kunstharz oder Streptavidinbeschichteten magnetischen Kügelchen; Affinitätsreinigung; Auswahl auf den Western-Blots (besonders nützlich für unbekannte Antigene oder Antigene, die schwer zu reinigen sind). WO 0004390 offenbart auch ein Screening-Verfahren mittels eines Mikrokanal-Arrays, das mit dem der vorliegenden Erfindung fast identisch ist; es umfaßt: ein erstes Substrat, das aus einem weichen Material gefertigt ist (Seite 18, Paragraph 2); und einen Mikrokanal, der auf dem ersten Substrat angeordnet ist (Anspruch 1(a) und (b)), wobei verschiedene Arten von Sondenmolekülen durch das chemische Binden auf einer unteren Fläche und/oder auf einer Wandfläche des Mikrokanals in einer angestrebten Reihenfolge in Form von Punkten befestigt werden.
Durch die Technologie, die in der JP-Patentanmeldung (Kokai) Nr. 11-243997 A (1999) beschrieben ist, wird ein kapillares Kügelchen-Array hergestellt, bei dem verschiedene Arten von Molekülen auf der Oberfläche der Kügelchen, die in einem Kanal, wie etwa einer Glaskapillare, in einer angestrebten Reihenfolge angeordnet sind, befestigt sind. Dann wird eine Probenlösung, die Biomoleküle als die zu analysierenden Objekte umfaßt, in das kapillare Kügelchen-Array gefüllt. Durch das Binden der Biomoleküle als der Objekte der Analyse an die Sondenmoleküle, die auf der Oberfläche von Kügelchen befestigt sind und eine hohe Affinität für solche Biomoleküle aufweisen, können die Biomoleküle als Objekte der Analyse auf der Oberfläche der Kügelchen befestigt und werden und daraufhin analysiert werden. Es ist jedoch unter Verwendung von kapillaren Kügelchen-Arrays dieser Art sehr schwierig, Kügelchen, auf denen die Biomoleküle als Objekte der Analyse befestigt sind, selektiv zu entfernen. Daher ist es sehr schwierig, solche Biomoleküle selektiv wiederzugewinnen. Daher wird eine Technologie benötigt, durch die Biomoleküle als Objekte der Analyse, die in einer Probenlösung in winzigen Mengen enthalten sind, selektiv wiederzugewinnen.
ERFINDUNGSABRISS
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur wirksamen Trennung und Wiedergewinnung von Biomolekülen als Objekten der Analyse, die in Probenlösungen in winzigen Mengen vorhanden sind, in Abhängigkeit von der Affinität für verschiedene Sondenmoleküle, anzugeben.
Die vorliegende Erfindung gibt ein Verfahren zur Wiedergewinnung von Biomolekülen mittels eines Mikrokanal-Arrays gemäß Anspruch 1 an. Indem das Mikrokanal-Array in einem Material wie einem Weichharz vorgesehen ist, kann ein Biomolekül, das mit einem Sondenmolekül in jeder spezifischen Position gebunden ist, ausgeschnitten, separiert und wiedergewonnen werden, so daß das Biomolekül zur Inspektion und Analyse oder einem anderen nachfolgenden Bearbeitungsprozeß verwendet werden kann. Das ausgeschnittene Stück, an dem Sondenmoleküle befestigt sind, kann beispielsweise einer Fluoreszenz-Messung mittels eines Flußmessers in der gleichen Art unterzogen werden, die für herkömm liche Kügelchen verwendet wird. In diesem Fall besteht, da die Schnittfolge spezifiziert ist, kein Bedarf für eine Anordnung in einer festen Reihenfolge oder Sequenz wie im Fall von Kügelchen. Zusätzlich ist es nach der vorliegenden Erfindung einfach, nur einen gewünschten Abschnitt zur Messung auszuschneiden.
In einer Ausführung sieht die vorliegende Erfindung ein Mikrokanal-Array zur Wiedergewinnung von Biomolekülen vor, das hergestellt wird, indem die erwähnten Mikrokanal-Array-Komponenten mit einem zweiten Substrat verbunden werden. Die Mikrokanal-Array-Komponente umfaßt den Mikrokanal, der auf dem ersten Substrat vorbereitet ist, das aus einem weichen Material, wie etwa Weichharz, gefertigt ist, das leicht mit einem scharfen Werkzeug ausgeschnitten werden kann, und verschiedene Arten von Sondenmolekülen, die an einer unteren Oberfläche und/oder einer Wandfläche des Mikrokanals in Form von Spots durch chemische Bindung in einer angestrebten Sequenz befestigt sind. Das zweite Substrat umfaßt periodische Vorsprünge von derartigen Abmessungen, daß sie in den Mikrokanal der Mikrokanal-Array-Komponente gepaßt werden können. Das Mikrokanal-Array zu Wiedergewinnung von Biomolekülen hat die Spots, an denen verschiedene Arten von Sondenmolekülen in dem Mikrokanal befestigt sind, und periodische Vorsprünge. Indem die periodischen Vorsprünge in dem Mikrokanal angeordnet sind, kann eine Biomoleküle enthaltende Probenlösung, die in den Mikrokanal geschüttet wird, gerührt werden, wodurch die Effizienz der Bindung an die Sondenmoleküle verbessert wird. Darüber hinaus kann, indem die Array-Komponente mit dem zweiten Substrat verbunden wird, die Struktur des Arrays zur Wiedergewinnung von Biomolekülen vereinfacht werden, so daß die Herstellungskosten verringert werden können.
Die Form der Vorsprünge, die in dem Mikrokanal angeordnet sind, ist nicht besonders eingeschränkt. Zylindrische, rechtwinklig-säulenförmige, konische, plattenförmige oder gewellte Wände oder Deckflächen können beispielsweise verwendet werden, damit sie die Probenlösung, die in dem Mikrokanal geschüttet wird, rühren, da die Vorsprünge den Strom der Probenlösung aufhalten und Turbulenzen hervorrufen.
Die Probenlösung, die Biomoleküle als Objekte der Wiedergewinnung enthält, wird in den Mikrokanal des Mikrokanal-Arrays geschüttet. Mittels der periodischen Vorsprünge, die in dem Mikrokanal angeordnet sind, wird die Probenlösung effektiv gerührt, während Turbulenzen hervorgerufen werden, und die Biomoleküle als Objekte der Wiedergewinnung, die in der Probenlösung enthalten sind, werden schnell mit den Sondenmolekülen, die an einer unteren Oberfläche und/oder einer Wandfläche in Form von Spots befestigt sind und die eine hohe Affinität für solche Biomoleküle aufweisen, gebunden. Daraufhin wird das Substrat mit den periodischen Vorsprüngen von der Mikrokanal-Array-Komponente getrennt, und dann wird in einem Mikrokanal der Mikrokanal-Array-Komponente ein Abschnitt, an dem die Sondenmoleküle befestigt sind, die an die Biomoleküle als Objekte der Wiedergewinnung gebunden sind, mittels eines Werkzeugs, wie etwa eines scharfen Messers, geschnitten.
Indem das Stück, das von dem Substrat geschnitten wurde, chemisch behandelt wird, um die Bindung zwischen den Sondenmolekülen, die auf der Oberfläche des Stücks befestigt sind, und den Biomolekülen als Objekten der Wiedergewinnung zu lösen, werden die Biomoleküle wiedergewonnen. Somit kann nur eine spezifische Art von Biomolekülen effektiv wiedergewonnen werden.
Nach der vorliegenden Erfindung können Biopolymere, die in einer Probenlösung in winzigen Mengen enthalten sind, leicht und sicher gemäß ihrer Affinität für verschiedene Arten von Sondenmolekülen getrennt werden und wiedergewonnen werden. Insbesondere kann ein sehr wirksames Werkzeug für Nutzer bereitgestellt werden, die in Forschung und Entwicklung in den Biowissenschaften tätig sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines Mikrokanal-Arrays, das mit Spots, an denen verschiedene Arten von Sondenmolekülen befestigt sind, und mit periodischen Vorsprüngen versehen ist.
2 zeigt schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines Mikrokanal-Arrays, das mit Spots, an denen verschiedene Arten von Sondenmolekülen befestigt sind, und mit periodischen Vorsprüngen versehen ist.
3 zeigt schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines Mikrokanal-Arrays, das mit Spots, an denen verschiedene Arten von Sondenmolekülen befestigt sind, und mit periodischen Vorsprüngen versehen ist.
4 zeigt schematisch ein Mikrokanal-Array, das mit Spots, an denen verschiedene Arten von Sondenmolekülen befestigt sind, und mit periodischen Vorsprüngen versehen ist.
5 zeigt schematisch eine Probenlösung, die Biomoleküle als Objekte der Wiedergewinnung enthält, die in ein Mikrokanal-Array der vorliegenden Erfindung geschüttet wird.
6 zeigt schematisch ein Verfahren, mit dem Sondenmoleküle und Biomoleküle aus einem Mikrokanal-Array wiedergewonnen werden.
7 zeigt schematisch ein Verfahren, mit dem Sondenmoleküle und Biomoleküle aus einem Mikrokanal-Array wiedergewonnen werden.
8 zeigt schematisch einen Vorgang, durch den Biomoleküle als Objekte der Wiedergewinnung aus einem kleinen Stück, das von einem Mikrokanal-Array abgeschnitten ist, wiedergewonnen werden.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
Eine Ausführung der vorliegenden Erfindung wird unten im Detail mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Die 1 bis 3 zeigen schematisch ein Verfahren zur Herstellung einer Kanalstruktur, die mit Spots, an denen verschiedene Arten von Molekülen befestigt sind, und periodischen Vorsprüngen versehen ist. Die 4 zeigt schematisch ein Mikrokanal-Array, das mit Spots, an denen verschiedene Arten von Molekülen befestigt sind, und periodischen Vorsprüngen versehen ist.
Die 1 zeigt eine Perspektivansicht, einen Grundriß und eine Seitenansicht eines ersten Substrats 1. Ein Mikrokanal 2 wird auf dem ersten Substrat erstellt, das aus einem Material wie Weichharz gefertigt ist, das leicht mit einem scharfen Werkzeug geschnitten werden kann. Auf einer unteren Fläche und/oder einer Wandfläche des Mikrokanals (der unteren Fläche in dem Beispiel von 1) werden Spots 3 erstellt, auf denen verschiedene Arten von Sondenmolekülen durch chemische Bindung in einer angestrebten Sequenz befestigt werden. Die 2 zeigt eine Perspektivansicht, eine Vorderansicht und eine Seitenansicht eines zweiten Substrats 5, das mit periodischen Vorsprüngen 4 versehen ist. Die 3 zeigt Perspektivansichten des zweiten Substrats 5, das in den Mikrokanal 2 des ersten Substrats eingefügt wurde, und die Art des Einfügens. Die 4 zeigt eine Perspektivansicht, in der das zweite Substrat 5 in den Mikrokanal 2 des ersten Substrats 1 eingefügt ist, und die Art des Einfügens. Indem der Mikrokanal 2 des ersten Substrats 1 mit dem Substrat 5 von derartigen Abmessungen, daß es in den Mikrokanal 2 eingefügt werden kann, verbunden wird, wobei das Substrat 5 die periodischen Vorsprünge aufweist (zylindrische Vorsprünge in den 2 und 3), wird ein Mikrokanal-Array hergestellt, das Spots 3, an denen verschiedene Arten von Sondenmolekülen befestigt sind, und periodische Vorsprünge 4 aufweist. Die räumliche Be ziehung der Spots 3 und der periodischen Vorsprünge 4 ist nicht besonders eingeschränkt. Sie können, müssen aber nicht, in einer sich entsprechenden Weise angeordnet sein.
Die 5 zeigt schematisch, wie eine Probenlösung 8, die Biomoleküle als Objekte der Wiedergewinnung enthält, in das Mikrokanal-Array 6 geschüttet wird. Die Probenlösung 8, die Biomoleküle 7 als Objekte der Wiedergewinnung enthält, wird in das Mikrokanal-Array 8 geschüttet, das in den 1 bis 4 erläutert ist. Die Probenlösung 8 wird durch die periodischen Vorsprünge in dem Mikrokanal des Mikrokanal-Arrays 6 effektiv so gerührt, daß die Biomoleküle 7 als Objekte der Wiedergewinnung, die in der Probenlösung 8 enthalten sind, schnell an die Sondenmoleküle gebunden werden, die an den Wandflächen des Mikrokanals an Spots befestigt sind und die eine hohe Affinität für die Biomoleküle 7 aufweisen.
Die 6 und 7 zeigen schematisch Perspektivansichten, Grundrisse und Schnittansichten eines Verfahrens, durch das die Sondenmoleküle und die Biomoleküle als Objekte der Wiedergewinnung aus dem Mikrokanal-Array wiedergewonnen werden. Eine wäßrige Lösung, die die Biomoleküle 7 als Objekte der Wiedergewinnung enthält, wird in das Mikrokanal-Array geschüttet. Nachdem die Biomoleküle 7 an die Sondenmoleküle 9, die an den Wandflächen des Mikrokanals an Spots befestigt sind und eine hohe Affinität für die Biomoleküle aufweisen, gebunden sind, wird das zweite Substrat, das mit den periodischen Vorsprüngen vorgesehen ist, von dem Mikrokanal-Array entfernt. Ein Abschnitt des Mikrokanals 2 in dem Mikrokanal-Array, der den Spot 3 umfaßt, an dem die Sondenmoleküle 9, die an die Biomoleküle 7 als die Objekte der Wiedergewinnung für das erste Substrat gebunden sind, befestigt sind, wird mit einem scharfen Schneidemesser 10 geschnitten, wodurch ein kleines Stück 11 erhalten wird, das an der Oberfläche die Sondenmoleküle 9, an die die Biomoleküle 7 gebunden sind, behält. Das so ausgeschnittene Stück 11, wie es in der 7 gezeigt ist, kann herausgenommen werden, indem durch das erste Substrat gestochen wird oder kann von dem Schneidemesser 10 entfernt werden, an das sich das geschnittene Stück 11 angeheftet hat.
Die 8 zeigt einen Vorgang, durch den Biomoleküle als Objekte der Wiedergewinnung aus dem kleinen Stück, das aus dem Mikrokanal-Array geschnitten wird, wiedergewonnen wird. In der 8 behält das Stück 11, das aus der Kanalstruktur geschnitten wurde, die Sondenmoleküle 9 auf seiner Oberfläche, und die Biomoleküle 7 als die Objekte der Wiedergewinnung sind an die Sondenmoleküle 9 gebunden. Das ausgeschnittene Stück 11 wird dann chemisch behandelt, um die Bindung zwischen den Sondenmolekülen 9 und den Biomolekülen 11 als den Objekten der Wiedergewinnung zu lösen, wodurch die Biomoleküle 7 wiedergewonnen werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Biopolymer, das in einer Probenlösung in winzigen Mengen enthalten ist, leicht und sicher gemäß der Affinität für verschiedene Arten von Sondenmolekülen getrennt und dann wiedergewonnen werden. Die Erfindung sieht insbesondere ein effektives Werkzeug für Nutzer vor, die in Forschung und Entwicklung in den Biowissenschaften tätig sind. Die vorliegende Erfindung kann daher zum Fortschritt der Biowissenschaften und der Entwicklung von medizinischer Diagnostik und Medikamenten beitragen.

Claims

Verfahren zur Wiedergewinnung von Biomolekülen unter Verwendung eines Mikrokanal-Arrays, welches mindestens einen Mikrokanal (2) umfaßt, mit den folgenden Schritten: Zuführen einer Probenlösung, welche Biomoleküle als Objekte der Wiedergewinnung enthält, in den Mikrokanal des Mikrokanal-Arrays, wobei das Mikrokanal-Array Spots (3) hat, an denen verschiedene Arten von Sondenmolekülen („probe molecules") befestigt sind, und periodische Vorsprünge aufweist, und schnelles Binden der Biomoleküle als Objekte der Wiedergewinnung, welche in der Probenlösung enthalten sind, an die Sondenmoleküle, die in der unteren Fläche und/oder der Wandfläche des Mikrokanals (2) in der Form von Spots (3) befestigt sind und die eine hohe Affinität für die genannten Biomoleküle aufweisen; dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Schritt des Bindens der Biomoleküle ein Abschnitt des Mikrokanals (2) der Mikrokanal-Array-Komponente, in welchem die Sondenmoleküle, die an die Biomoleküle als Objekte der Wiedergewinnung gebunden sind, befestigt sind, unter Verwendung eines scharfen Werkzeuges ausgeschnitten werden.
Verfahren zur Wiedergewinnung von Biomolekülen nach Anspruch 1, bei dem nach dem Schritt des Ausschneidens die Biomoleküle wiedergewonnen werden, indem das aus dem Substrat ausgeschnittene Stück chemisch behandelt wird, um die Bindung zwischen den Sondenmolekülen und den Biomolekülen als Objekte der Wiedergewinnung zu trennen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Mikrokanal-Array folgendes umfaßt: eine Mikrokanal-Array-Komponente, die ein erstes Substrat (1) umfaßt, welches aus einem weichen Material besteht, das leicht mit einem scharfen Werkzeug geschnitten werden kann, auf dem der Mikrokanal (2) angeordnet ist; und ein zweites Substrat (5), welches mit der Mikrokanal-Array-Komponente kombiniert ist, wobei das zweite Substrat (5) periodische Vorsprünge (4) mit derartigen Abmessungen umfaßt, daß sie in dem Mikrokanal (2) der Mikrokanal-Array-Komponente gepaßt werden können, wobei das Verfahren vor dem Schritt des Ausschneiden das Trennen des Substrats mit den periodischen Vorsprüngen (4) von der Mikrokanal-Array-Komponente umfaßt.